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1、不锈钢刻蚀赵丽冰 陈沛贤 李嘉航 龙杰明 汪军霞 刘畅 张志军 刘晓芳 卢宇靖 谢广彬 吕学义（中山大学化学与化学工程学院，99级，广州 510275）指导老师：方北龙 陈六平【摘要】 本文依据工业生产原理，设计了新的能处理较大面积工件的化学刻蚀装置，研究了实验室条件下对不锈钢进行图纹装饰的方法和工艺。通过上感光材料、感光、刻蚀、上色等工艺实现了不锈钢的图案刻蚀，成功地制作出一批作品。【关键词】 图纹装饰，不锈钢板，感光材料，刻蚀。Etching on Stainless Steel SheetZhao Libing Chen Peixian Li Jiahang Long Jieming W
2、ang Junxia Liu Chang Zhang Zhijun Liu Xiaofang Lu Yujing Xie Guangbin L Xueyi（Class 99, School of Chemistry and Chemical Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China）Supervisor: Fang Beilong and Chen Liuping 【Abstract】 This paper reported the method and technology for the decorative
3、patterns on stainless steel sheet under the labs condition based on the principle of industrial production, and a new apparatus for chemical etching stainless steel sheet of relative large areas is designed. The technical procedures includes painting sensitive material, sensitization, Etching, color
4、ing etc. process. A number of products with various pattern and characters.【Keywords】 Pattern decoration, Stainless steel sheet, Sensitive material, Etching.一、引言不锈钢具有很高的力学强度、硬度、耐磨性、耐蚀性以及易于加工等优良性质，随着其图纹装饰加工工艺的发展和成熟，在各个领域中的应用日益扩大，如在招牌制作、仪器设备表面图文刻印、制造印刷用的金属字板、在机械加工较为困难的薄板或薄片零件（电子线路板、金属网板的小孔以及光栅）等器件上制造出
5、复杂的图形或文字。不锈钢的图纹装饰是通过对不锈钢进行部分刻蚀，获得一定深度的图形或文字，在其上着色，从而达到具有立体感的彩色装饰效果。工业上一般采用FeCl3化学刻蚀和阳极溶解两种方法进行刻蚀3-6，该方法具有工艺简单、刻蚀速度快、污染少、经济且效果好等优点。本文在实验室条件下，根据两种方法的原理进行实验研究，并作改进，对实验产品进行分析比较，找出了合适的实验室生产方法和工艺条件。二、实验部分1、原材料、试剂及仪器不锈钢板，规格：6060mm，39120 mm，210297 mm，800600mm2、7656cm2，厚度11.5mm。材质：从市场上购得的一般砂光板。感光胶：二苯甲酮（光敏剂）、
6、不饱和树脂（成膜剂）、有机溶剂。显影粉，去皮水，焗漆。刻蚀液配方：FeCl：400500g/LHPO：2030g/LHCl：80120g/L再生剂（HO）：适量电解液配方： KCl：10%18 HCl：510g/L空气压缩机，恒温槽，自制刻蚀容器，稳定直流电源，电加热炉，电磁搅拌装置等。2、工艺流程3、刻蚀工艺（1）上感光胶工业上是用喷枪喷涂或150目的尼龙丝网，用上浆器刮涂感光胶在工件表面，但此方法在实验室难以实现。本实验是用天那水按1:3将感光浆稀释，再用丙酮调成极稀浓度，用喷壶喷淋在工件表面。待丙酮挥发完全后，放入烘炉，在80下烘30min。（2）曝光、显影、封边 将制作好图案的黑白胶片
7、平放在感光胶表面，在紫外光灯下曝光23min，曝光后马上放入显影液中显影，未感光部分溶解，露出部分不锈钢表面。显影后用清水冲洗，晾干。然后把不需要刻蚀的底面和边沿封好保护。（3）刻蚀 A) 阳极溶解刻蚀电解法刻蚀不锈钢电解液对工艺影响较大，要求能在电场作用下对阳极金属产生阳极溶解而不产生钝化膜, 还要有电导率高、流动性好、性能稳定、价格便宜等优点。工业上采用10%18的NaCl溶液7,8，再根据不同的需要加入NaNO3、NaClO3、H等。本实验为了加快反应速度，以KCl代替NaCl。同时，由于生成的Fe（Fe）在碱性条件下会产生沉淀影响进一步刻蚀，故还需要加入一定量的HCl，以控制溶液的pH
8、值。按照图1安装好实验装置，把工件与阳极连接，阴极使用与工件大小、形状相似的钢片，同时在恒温下采用搅拌等装置，以缩短刻蚀时间。电磁搅拌恒温器稳压直流电源图1阳极溶解刻蚀装置根据文献资料及实验室条件，本文确定在30、25V、刻蚀2530min为较好的工艺条件。B）FeCl化学刻蚀FeCl化学刻蚀的主要反应式是：2Fe+ Fe3Fe，Fe +2HFe+H。工业上通常是利用耐酸泵把FeCl3加压后喷射到放在传送带上运动的工件上，其流程原理如下图2所示： 往下喷射的水流产生一个向下的作用力，从而使工件刻蚀方向垂直向下。且工件放在传送带上，可实现连续加工。但在实验室要得到连续喷淋的效果，仪器较难实现。故
9、本实验根据工业加工的原理，设计了另一套装置，如图下图3所示： 图2 工业上化学刻蚀工艺流程示意图 图3 本文设计的化学刻蚀实验装置示意图图3所示装置的主要特点是，利用通入压缩空气产生连续上升的气泡，气泡不断地带动溶液流动，使溶液均匀；上升的气流还会在工件表面产生一个垂直的冲力，使得刻蚀的边沿平整。另外，在反应过程中不断加入空气，空气中的氧跟Fe发生反应，4Fe+O+4H4Fe+2HO，使Fe再生，可循环利用。在刻蚀工程中，要得到线条明晰，刻痕深的图纹，必须控制好刻蚀的时间和温度，刻蚀温度太低或时间太短，刻出的图案模糊，不深；温度太高、时间太长，感光胶和不锈钢的结合力下降，在要刻蚀和非刻蚀的交界
10、处可能出现感光胶脱落，导致图案边缘模糊，影响整体效果。本文得出最佳的刻蚀温度为5565，刻蚀时间为4560min。为了扩大此实验方法的应用范围，作者设计了可根据加工工件大小使用的另外一套刻蚀仪器，其工作原理及实物如下图4和5所示： 图4 刻蚀工艺原理图 图5 刻蚀反应器实物图使用图5装置可以刻蚀面积较大的不锈钢片。（4）脱皮刻蚀好的不锈钢片用蒸馏水冲洗干净后，放入脱皮水中浸泡30min，使覆盖在工件上的感光材料全部脱落，露出未被刻蚀的工件表面。 （5）后期处理（上色、打磨）上色：按照所需的效果，把焗漆填充到刻好的图纹上，放入烘炉中，50下烘干，可获得鲜明的色彩效果。打磨：用金相砂纸对刻好的工件
11、进行打磨，可提高工件表面的光洁程度，获得镜面效果。还可以通过机械、化学抛光的方法对工件作进一步的加工，以获得更好的装饰效果。三、实验结果与讨论本实验所做的成品（部分）如下列图片所示： 右图为阳极溶解与化学刻蚀产品比较。图中左边两块是用阳极溶解方法刻蚀，右边两块是用FeCl刻蚀。从图中可以看出，阳极融解的产品刻蚀不均匀，刻蚀面坑坑洼洼，出现“斑点刻蚀”现象（阳极发生超钝化溶解时，如果存在不均匀、不连续的阳极膜，则金属表面会出现“斑点刻蚀（pitting）”，光洁度降低。有资料认为，阳极膜不均匀、不连续是由于有氧气从阳极析出造成的9,10，总体效果不如化学刻蚀所得产品理想。 左图为刻蚀的最终产品，
12、刻蚀成品经上色、打磨、抛光后，具有良好的装饰效果。 四、刻蚀产品示例为了考察本研究开发的刻蚀技术的应用范围，对几种不同大小规格的不锈钢片、铜片（6060mm、40120mm、800600mm、7656cm）进行了不同图案、文字的刻蚀，均达到了理想的效果（产品可见下文图片），而且整个工艺过程简单、快捷、无污染，适合个性化小规模生产，达到工业生产的要求。实验产品展示：五、结论本研究开发出一种操作方便、刻蚀速度快、成本低、效果好的刻蚀工艺技术，它适用于各种大小规格、各种形状、各种图文样式的不锈钢和铜片刻蚀，既能满足社会上各种招牌个性化的小规模生产要求，也可进行批量生产。产品的刻蚀边缘清晰，深度均匀，
13、完全达到工业生产的要求。该工艺所需原料及化学药品价廉易得，主要刻蚀液FeCl3可以重生，具有良好的经济效益。致谢：本文工作是在方北龙和陈六平两位老师的精心指导下完成的，并得到中山大学“开放实验室基金”的资助。化学刻蚀反应器由化学学院忻龙祥师傅加工完成。在此向他们表示衷心的感谢。参考文献1 肖鑫，王文涛，龙有前，钟萍. 表面技术. 2001, 30（2）: 292 周一扬，陈振华. 表面技术. 1996, 25（6）: 273 U.S. Patent 6,395,329 Printed circuit board manufacture, Soutar, et al., May 28, 2002
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